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La nouvelle édition d'un classique

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Tags: ZéroÉmission, Mobilitéélectrique, Efficacité

Les moteurs à combustion interne resteront répandus à l'avenir. Avec la quatrième génération de sa boîte de vitesses automatique à 8 rapports, ZF présente une chaîne cinématique offrant une performance impressionnante, en particulier dans les véhicules électriques hybrides.
Johannes Winterhagen, septembre 10, 2019
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Johannes Winterhagen Ce journaliste spécialisé dans les domaines de l'énergie et de la mobilité aime tout ce qui est vraiment compliqué. C'est d'ailleurs au laboratoire qu'il préfère discuter avec les ingénieurs.
La boîte de vitesses automatique ZF à 8 rapports pour automobiles a fait un parcours sans faute depuis son lancement, en 2009, avec des dizaines de millions d'unités vendues. Depuis sa mise sur le marché, les ingénieurs ZF ont révisé deux fois cette transmission à convertisseur – vivement appréciée par les automobilistes et les journalistes automobiles – afin de permettre un montage en long. Avec chaque révision, la boîte de vitesses a gagné en convivialité et en efficacité. La quatrième génération de cette boîte à 8 rapports est maintenant prête à prendre la relève.

Extraordinaire : conçue dès le départ comme boîte hybride

Extraordinaire : conçue dès le départ comme boîte hybride

La fabrication de cette boîte de vitesses débutera en 2022. Le seul point commun entre la nouvelle transmission et les modèles précédents est le nombre de rapports, à savoir 8. À part cela, la nouvelle version possède une série de nouvelles caractéristiques. « Pour la première fois, nous avons élaboré une boîte de vitesses automatique pour le segment premium conçue dès le départ comme transmission hybride », explique Stephan von Schuckmann, avant d'ajouter : « Cette conception a abouti à un système modulaire comprenant des modules électriques, hydrauliques et mécaniques, parmi lesquels chaque client peut choisir les composants qu'il souhaite pour disposer d'un équipement de conduite idéal. » Stephan von Schuckmann dirige la division Systèmes de Transmission pour Véhicules de Tourisme chez ZF.
La quatrième génération de la boîte de vitesses automatique ZF à 8 rapports convient parfaitement à toutes les configurations hybrides.

Une nouvelle boîte qui répond aux nouvelles lois

Une nouvelle boîte qui répond aux nouvelles lois

Pourquoi avoir privilégié un concept modulaire ? Ce choix s'explique par les émissions de CO2 limites plus sévères définies par les législateurs, auxquelles les constructeurs automobiles devront se conformer au cours des 10 prochaines années. Comme seules les émissions générées par le véhicule lui-même sont prises en compte actuellement, et non, par exemple, les émissions produites pendant la fabrication du véhicule, presque tous les constructeurs s'efforcent d'augmenter leurs ventes de véhicules électriques à batterie. Les véhicules électriques ne conviennent cependant pas à tous les clients ni à toutes les applications. « Nous supposons donc que 70 % de nouvelles voitures en 2030 continueront à être équipées d'un moteur à combustion interne », observe Stephan von Schuckmann. Dans le but de réduire la consommation de carburant et donc les émissions dans de tels véhicules, de nombreux types d'hybridation se répandront au cours de la prochaine décennie.

Idéal pour toutes les applications hybrides

Idéal pour toutes les applications hybrides

Le premier concept à mentionner à cet égard est la propulsion hybride rechargeable. Les véhicules pourvus de telles propulsions peuvent atteindre des vitesses de 130 km/h et disposent en mode 100 % électrique d'une autonomie de 80 à 100 kilomètres. Chez ZF, ce type porte le nom d'EVplus – une propulsion électrique soutenue par un moteur à combustion interne.
À l'autre extrémité de l'échelle de performance se situent les systèmes hybrides légers de 48 volts. Avec ces propulsions, le moteur électrique fournit une puissance complémentaire lorsque le véhicule démarre, ainsi que pendant l'accélération, et convertit aussi l'énergie générée pendant les opérations de freinage en électricité, qui réalimente alors la batterie. La nouvelle boîte automatique à 8 rapports convient à tous ces concepts hybrides et peut atteindre des performances électriques entre 24 et 160 kilowatts.
C'est la raison pour laquelle les travaux nécessaires sur la nouvelle boîte ne se limitaient pas à une simple mise au point technique. Pour remplir les exigences des nouveaux modèles de véhicules hybrides rechargeables, on a intégré un moteur électrique puissant dans l'espace de montage limité à l'intérieur du carter de boîte de vitesses (cloche de convertisseur de couple).
« Nous avons élaboré pour la première fois une boîte automatique pour le segment premium conçue dès le départ comme une transmission hybride. »
— Stephan von Schuckmann, directeur de la division Systèmes de Transmission pour Véhicules de Tourisme chez ZF

Nouveau moteur électrique efficace

Nouveau moteur électrique efficace

Ce moteur électrique est réalisé à l'aide d'un processus innovant par la division Mobilité électrique chez ZF. La performance d'un moteur électrique dépend du « rapport de remplissage de cuivre » du rotor, c'est-à-dire du rapport matériau conducteur/volume total. Afin de maximiser ce rapport, les ingénieurs ZF n'utilisent plus d'enroulements en fil de cuivre pour les variantes de haute performance, mais des barres de cuivre insérées et soudées ensemble.

Électronique de puissance – intégrée dans le carter de la boîte

Électronique de puissance – intégrée dans le carter de la boîte

Une autre nouvelle caractéristique est l'emplacement de l'électronique de puissance.
Dans tous les véhicules hybrides de série, elle était logée par le passé dans une boîte montée ailleurs dans le véhicule, en raison du manque de place dans le compartiment moteur. Cela produisait des mètres de câble reliant l'électronique de puissance et la boîte de vitesses. Avec la nouvelle transmission, ce n'est plus nécessaire, car toute l'électronique de puissance est intégrée dans le carter de la boîte de vitesses. Cette approche s'est révélée être un grand défi pour l'équipe de concepteurs réunie autour du Dr Michael Ebenhoch. « D'une part, nous devions libérer de l'espace dans le carter, et d'autre part, rendre l'électronique de puissance très compacte », explique le directeur de développement de la division Systèmes de Transmission pour Véhicules de Tourisme. La réduction de l'électronique de puissance a cependant fixé des limites.

Nouvelles approches de refroidissement, de commutation et de circulation de l'huile

Nouvelles approches de refroidissement, de commutation et de circulation de l'huile

Bien que le semi-conducteur de puissance lui-même ne soit pas très volumineux, il commute des courants de forte intensité. Dans le cadre de ce processus, les semi-conducteurs génèrent de nombreux kilowatts d'énergie thermique, qui doit être déchargée. Au lieu d'être refroidie par l'huile de boîte, l'électronique de puissance est reliée au circuit réfrigérant du système de climatisation du véhicule. Pendant qu'elle essayait de trouver un espace suffisant pour l'électronique de puissance dans le carter de boîte de vitesses, l'équipe d'ingénieurs de Michael Ebenhoch a analysé tous les composants des actionneurs hydrauliques impliqués dans le processus de changement de vitesses. Des électrovalves à commutation directe effectuent à présent cette tâche. Contrairement aux actionneurs de pression électriques préalablement utilisés, ces électrovalves n'exigent pas de douilles ou pistons additionnels. En remplaçant ces actionneurs, l'espace nécessaire pour le montage de l'unité de commande hydraulique est passé de 3,1 litres à 1,8 litre.
Tous les autres composants du nouveau kit de boîte de vitesses ont aussi été conçus de façon judicieuse pour la propulsion hybride. Cela est particulièrement manifeste dans le circuit d'huile. Auparavant, deux pompes à huile étaient à l'œuvre : une pompe à ailettes très efficace entraînée directement par le moteur à combustion interne et une deuxième pompe électrique, ou mémoire d'impulsions, pour le mode électrique. La nouvelle boîte de vitesses automatique à 8 rapports est équipée d'une pompe split unique. Lorsque le moteur à combustion interne est inactif, la pompe est entraînée par un petit moteur électrique.

Optimisation de la mécanique pour plus d'efficacité

Optimisation de la mécanique pour plus d'efficacité

À première vue, la partie mécanique de la boîte de vitesses de quatrième génération n'a pas changé : deux freins et trois embrayages continuent à commuter les quatre trains d'engrenages planétaires. « Mais nous avons examiné chaque détail et surtout diminué la perte de friction », explique Michael Ebenhoch. La récompense de ces grands efforts : l'optimisation de la seule partie mécanique a eu pour effet de réduire d'un gramme les émissions de CO2 produites sur chaque kilomètre parcouru à l'aide du moteur à combustion interne.
Les travaux sur la quatrième génération de la boîte de vitesses automatique à 8 rapports ont maintenant atteint un stade très avancé. BMW et Fiat Chrysler ont déjà décidé d'utiliser cette boîte dans leurs véhicules. Les premiers essais sur route auront lieu au cours de l'année, et l'usine de boîte de vitesses ZF à Sarrebruck, se prépare déjà à l'industrialisation.

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